Атомы разлетаются со скоростью 10 Махов, а фермионная природа нейтрино запрещает когерентное излучение — доказали физики MIT
Нейтрино проходят сквозь планеты, звёзды и человеческое тело практически не взаимодействуя с веществом. Эти элементарные частицы имеют несколько разновидностей, могут превращаться друг в друга и, возможно, являются собственными античастицами. Теперь к их необычным свойствам добавился ещё один важный результат: предложенный в 2025 году способ создать «нейтринный лазер» оказался фундаментально невозможным.
Идею предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджо (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones), в то время доцент Техасского университета в Арлингтоне, а сейчас сотрудник Манчестерского университета. Они предположили, что облако радиоактивных атомов можно охладить до миллиардных долей кельвина. В таком состоянии атомы образуют бозе-эйнштейновский конденсат (BEC), в котором ведут себя как единая квантовая система. Авторы идеи рассчитывали, что это позволит ускорить радиоактивный распад и направить испускаемые нейтрино в узкий пучок по принципу лазера.
Основа предложения — сверхизлучение, квантовый эффект, при котором согласованное поведение атомов многократно усиливает излучение в одном направлении. Для фотонов такой эффект экспериментально наблюдался в бозе-эйнштейновских конденсатах. Формаджо и Джонс предположили, что аналогичный механизм может работать и для радиоактивного распада. В качестве примера они рассматривали радиоактивный рубидий: после охлаждения до состояния BEC его период полураспада, по расчётам авторов идеи, мог бы сократиться с 86 дней до 1 минуты. При этом ни одного бозе-эйнштейновского конденсата из радиоактивных атомов пока не создали.
Проверку идеи провёл нобелевский лауреат Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle), профессор физики MIT и один из первооткрывателей бозе-эйнштейновских конденсатов. В двух статьях в Physical Review Letters он вместе с соавторами показал, что проблема возникает сразу на 2 уровнях.
Первая причина — отдача атома. Видимый фотон имеет энергию около 1 электронвольта, тогда как нейтрино при радиоактивном распаде получает энергию порядка 1 млн электронвольт. Поэтому после испускания нейтрино атом получает настолько сильный импульс, что его скорость становится эквивалентной примерно 10 Махам — то есть в 10 раз превышает скорость звука. Атом практически мгновенно покидает конденсат. Расчёты Кеттерле показали, что за это время в BEC не успевает сформироваться необходимая квантовая корреляция — условная «память о предыдущем испускании», которая могла бы заставить остальные атомы повторять его в том же направлении.
Но даже если мысленно убрать проблему с отдачей, остаётся вторая. Нейтрино — фермионы, тогда как фотоны, для которых наблюдается сверхизлучение, относятся к бозонам. Фермионы имеют полуцелый спин, бозоны — целый, и это различие определяет их квантовое поведение. Расчёты показали, что квантовый отпечаток испущенного нейтрино в случае фермиона создавал бы не «память о направлении» излучения, а противоположную корреляцию: конденсат как бы получал указание не испускать следующее нейтрино в том же направлении. Вместо усиления пучка это препятствовало бы его формированию.
«Каждая из статей убила бы предложение», — отметил Кеттерле. Формаджо назвал результат убедительной и конструктивной проверкой исходной идеи. По его словам, когда появляется новая гипотеза, научное сообщество должно её тщательно проверять. Сам Кеттерле признаёт, что неожиданные результаты и новые идеи необходимы для понимания природы, однако в случае с нейтринным лазером первоначальное предположение оказалось слишком хорошим, чтобы быть правдой.
